重力坝抗滑稳定及应力计算

项目名称：几内亚凯勒塔（KALETA）水电站工程项目阶段：复核阶段计算书名称：重力坝抗滑稳定及应力计算审查：校核：计算：黄河勘测规划设计有限公司YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.二〇一二年四月1目录1.计算说明........................................................................................................11.1目的与要求.........................................................................................11.2基本数据.............................................................................................12.计算参数和研究方法......................................................................................12.1荷载组合.............................................................................................12.2计算参数及控制标准...........................................................................22.3计算理论和方法..................................................................................33.计算过程........................................................................................................43.1荷载计算.............................................................................................43.1.1自重..........................................................................................43.1.2水压力......................................................................................43.1.3扬压力......................................................................................83.1.4地震荷载................................................................................103.2安全系数及应力计算.........................................................................134.结果汇总......................................................................................................1711.计算说明1.1目的与要求下列计算是有关挡水坝段、溢流坝段、进水口、底孔坝段抗滑稳定性和基底应力计算。1.2基本数据正常蓄水位：110m；设计洪水位：112.94m；校核洪水位：113.30m；大坝设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇；坝址区地震动峰值加速度为0.15g（g=9.81m/s²），地震动反应周期为0.25s，相应的地震基本烈度为7度，本工程抗震设计烈度为7度。计算选取的挡水坝段坝顶高程114.00m，坝基底高程92.00m，坝高22m，坝顶宽5m。上游坝面竖直，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m高程以下坡度为1:0.75。计算选取的溢流坝段堰顶高程110.00m，坝基底高程96.00m，坝高14m，上游坝面竖直，下游坝坡在108.59m高程以上为Creager剖面，在108.59m高程以下坡度为1:0.85。正常蓄水位时，溢流坝段下游无水；设计洪水位112.94m时，下游水位104.80m；校核洪水位113.30m时，下游水位105.42m。进水口坝段顶高程114.00m，坝基底高程87.80m，坝高26.2m，顶宽13.06m，上游坝坡为1:0.25，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m高程以下坡度为1:0.75。底孔坝段顶高程114.00m，坝基底高程83.50m，坝高30.5m，顶宽10.0m，上游坝面竖直，下游坝坡在107.33m高程以上竖直，在107.33m高程以下坡度为1:0.75。2.计算参数和研究方法2.1荷载组合作用在坝上的主要荷载包括：坝体自重、上下游水压力、扬压力、地震力。2基本组合：正常蓄水位情况（上游水位110.0m）设计洪水位情况（上游水位112.94m）特殊组合：校核洪水位情况（上游水位113.30m）地震情况（正常蓄水位+地震荷载）2.2计算参数及控制标准水容重γw：9.81KN/m3混凝土容重γc：24KN/m3坝址区岩体主要为坚硬的辉绿岩和砂岩，大坝的建基面基本上分布在弱风化的辉绿岩和砂岩上。坝基面抗滑稳定计算的岩体及混凝土物理力学参数按表1-1取值，坝基面抗滑稳定安全系数和坝基应力应满足表1-2规定的数值。由于碾压混凝土坝的碾压层面的结合质量受材料性质、混凝土配合比、施工工艺、施工管理水平以及施工现场气候条件等许多因素的影响，容易成为坝体的薄弱环节，所以需要核算沿坝体混凝土碾压层面的抗滑稳定，坝体碾压层面的抗滑稳定计算采用抗剪断公式，安全系数值的控制标准应符合表1-2的要求。根据国内经验，碾压层面的抗剪断参数可取：f’=1.0，c’=1.0MPa。表1-1抗滑稳定计算岩体及混凝土力学参数岩性抗剪断强度（岩体）抗剪强度（岩体）抗剪断强度（砼/岩体）f′c′（MPa）fc（MPa）f′c′（MPa）辉绿岩1.21.50.7501.01.0砂岩1.01.10.6500.90.8表1-2抗滑稳定安全系数和坝基容许应力计算工况抗滑稳定安全系数坝基应力（MPa）抗剪安全系数【K】抗剪断安全系数【K’】坝踵坝趾基本组合正常蓄水位情况1.053.00坝基容许应力设计洪水情况1.053.00坝基容许应力3特殊组合校核洪水情况1.002.50坝基容许应力正常蓄水位+地震1.002.30坝基容许应力重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力在运用期的各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。2.3计算理论和方法混凝土重力坝坝体稳定采用刚体极限平衡法计算，分别计算各坝段不同水平截面（包括坝体混凝土碾压层面、坝体混凝土-基岩结合面）上的外加荷载及应力，并计算出抗剪和抗剪断稳定安全系数，以及坝基截面的垂直应力。为了确保结构即使在排水系统失效时也能安全运行，本次设计时扬压力考虑全水头。PWfK（抗剪强度计算公式）PACWfK（抗剪断强度计算公式）式中：K’—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；f’—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C’—坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa；A—坝基接触面截面积，m2；ΣW—作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的法向分值，KN；ΣP—作用于坝体上的全部荷载对于计算滑动面的切向分值，KN；坝基截面的垂直应力按下式计算：JxMAWy式中：σy—坝踵、坝趾垂直应力，KPa；ΣW—作用于坝段上或1m坝长上的全部荷载在坝基截面上法向力总和，KN；ΣM—作用于坝段上或1m坝长上的全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，KN.m；A—坝段或1m坝长的坝基截面积，m²；4x—坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；J—坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。3.计算过程3.1荷载计算3.1.1自重各种工况下，建筑物的自重均相同。挡水坝段：单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=198.167m2单宽坝段断面自重G1=4756.0KN（向下为正方向）单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-2.93m（向右为正方向）力矩MG1=-13945.54KN.m（顺时针方向为正）溢流坝段：单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=123.73m2单宽坝段断面自重G1=2969.53KN（向下为正方向）单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-1.486m（向右为正方向）力矩MG1=-4413.025KN.m（顺时针方向为正）进水口坝段：单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=586.74m2单宽坝段断面自重G1=14081.76KN（向下为正方向）单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=0.05m（向右为正方向）力矩MG1=704.09KN.m（顺时针方向为正）底孔坝段：单宽坝段（1m坝长）断面面积A1=518.01m2单宽坝段断面自重G1=12432.24KN（向下为正方向）单宽坝段断面形心对坝基中点的力臂L1=-3.22m（向右为正方向）力矩MG1=-40031.81KN.m（顺时针方向为正）3.1.2水压力水压力分为水平向静水压力、竖向水压力（溢流坝段泄洪时）、地震情况下5的动水压力（此荷载为地震荷载）。1、水平向静水压力（1）挡水坝段正常蓄水位情况：上游水深Hu1=18.0m上游水压力Pu1=1587.6KN力臂Lu1=6m力矩MPu1=9525.6KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=20.94m上游水压力Pu2=2148.57KN力臂Lu2=6.98m力矩MPu2=14997.0KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=21.3m上游水压力Pu3=2223.08KN力臂Lu3=7.1m力矩MPu3=15783.87KN.m（2）溢流坝段正常蓄水位情况：上游水深Hu1=14.0m上游水压力Pu1=960.4KN力臂Lu1=4.67m力矩MPu1=4481.87KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=16.94m上游水压力Pu2=1406.12KN力臂Lu2=5.65m力矩MPu2=7939.9KN.m下游水深Hd2=8.8m6下游水压力Pd2=-379.456KN力臂Ld2=2.93m力矩MPd2=-1113.07KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=17.3m上游水压力Pu3=1466.52KN力臂Lu3=5.77m力矩MPu3=8456.94KN.m下游水深Hd3=9.42m下游水压力Pd3=-434.81KN力臂Ld3=3.14m力矩MPd3=-1365.30KN.m（3）进水口坝段正常蓄水位情况：上游水深Hu1=22.2m上游水压力Pu1=2417.38KN力臂Lu1=7.4m力矩MPu1=17888.61KN.m设计洪水位情况：上游水深Hu2=25.14m上游水压力Pu2=3100.06KN力臂Lu2=8.38m力矩MPu2=25978.50KN.m校核洪水位情况：上游水深Hu3=25.5m上游水压力Pu3=3189.48KN力臂Lu3=8.5m力矩MPu3=27110.58KN.m（4）底孔坝段正常蓄水位情况：7上游水深Hu1=26.5m上游水压力Pu1=3444.54KN力臂Lu1=8.83m力矩MPu1=30415.29KN.m设计洪